Apoptosi: Morte Cellulare Programmata e Meccanismi Molecolari

APOPTOSI

DEFINIZIONE

L'apoptosi, per definizione, è una morte cellulare programmata. C'è, infatti, un vero e proprio programma di espressione genica che porta la cellula a morte. Tant'è vero che si parla anche di suicidio cellulare: la cellula può decidere di morire anziché sopravvivere in risposta a precisi stimoli stressanti o a condizioni proibitive. Uno degli stimoli che può indurre l'apoptosi è la mancanza dei fattori di sopravvivenza.

CARATTERISTICHE MORFOLOGICHE

Dal punto di vista morfologico, che cosa si A B C D osserva osservando cellule in coltura? Nell'organismo è un po' più difficile, però dopo vedremo proprio in quale organismo in toto è stato possibile capire che esiste questa morte programmata. Guardando le cellule in coltura, si è capito che, sotto determinati stimoli, alcune cellule potevano morire.

Guardando i vari frame temporali in cui viene raffigurata una cellula durante l'apoptosi, si nota che la cellula dal punto di vista morfologico comincia a rimpicciolirsi e a raggrinzirsi fino a collassare e a diventare un detrito cellulare che viene denominato corpo apoptotico. Si vedono anche dei cambiamenti morfologici intracellulari tra cui il nucleo non si nota più a causa della frammentazione della lamina nucleare. Al di fuori della cellula non succede niente: la cellula si suicida e non procura danni a nessuna altra cellula né alla matrice extracellulare che la circonda. Il corpo apoptotico derivante dall'apoptosi di una cellula viene rimosso mediate fagocitosi da parte di cellule fagocitarie professioniste, tra cui soprattutto i macrofagi. Se la cellula fa parte per esempio di un monostrato di cellule epiteliali, la cellula si estrude da questo monostrato e non danneggia le cellule contigue.

Abbiamo anche un altro tipo di morte cellulare, ovvero la necrosi. Cosa succede con la necrosi? Con la necrosi c'è il materiale intracellulare che viene proprio espulso all'esterno, come quasi in una esplosione vulcanica. Ciò che viene espulso dalla cellula durante la necrosi va a danneggiare le zone circostanti, cioè va a dare un danno collaterale a carico delle cellule che stanno vicine, provocando un'infiammazione di quell'area di tessuto. Questa è la prima grande differenza tra l'apoptosi e la necrosi.

Quale può essere un segnale intracellulare che indica alla cellula che è meglio morire? Al primo posto abbiamo danni al DNA non riparabili. Infatti, se noi irradiamo le cellule con raggi ultravioletti, che vanno a creare dimeri di apoptotic nerve cells nerve cells timina (o comunque di pirimidine). Se noi vogliamo studiare velocemente il processo nerve cell body CELL DEATH nerve cell axon ADJUSTS NUMBER OF NERVE CELLS TO SIZE OF TARGET dell'apoptosi, possiamo isolare le cellule all'interno di particolari sistemi in grado di emettere luce ultravioletta ad alta energia. Dopo target cells survival factor released by target cells Figure 18-11 Molecular Biology of the Cell 6e ( Garland Science 2015)una irradiazione di una decina di minuti, si incomincia già a vedere che alcune cellule della coltura vanno incontro ad apoptosi, cioè iniziano ad andare incontro ad un'implosione che culmina con la formazione di quello che abbiamo definito corpo apoptotico.

CAMBIAMENTI TIPICI: "HALLMARKS DELL'APOPTOSI"

Ci sono dei veri e proprio segni cellulari e molecolari che vanno ad indicare se una cellula è morta o sta morendo per apoptosi. Li abbiamo detti poco fa e li ripetiamo: il raggrinzimento della cellula, la condensazione della cromatina con conseguente frammentazione, la rottura dell'involucro nucleare, la degradazione di tutte le componenti citoscheletriche (ed è questa che effettivamente fa raggrinzire e collassare la cellula). Oltre a queste caratteristiche, una caratteristica morfologica che non abbiamo detto prima è la formazione di estroflessioni (blebs) a livello della membrana plasmatica, che è come se si stesse sfaldando e stesse perdendo la sua integrità. Il tutto concorre a far diventare la cellula un corpo apoptotico, quindi un frammento o un insieme di frammenti cellulari.

Globalmente, dunque, la cellula muore e va incontro a questa serie di cambiamenti morfologici.

FINALITÀ DELL'APOPTOSI

A cosa serve l'apoptosi? Il danno al DNA da stress genotossico, se non viene riparato, cambia l'informazione genetica e questa informazione alterata viene poi trasmessa alle cellule figlie, quindi non inficia solo la funzionalità della cellula che l'ha subita. Quindi, in condizioni patologiche, l'apoptosi serve per rimuovere le cellule danneggiate e/o indesiderata.

Ma l'apoptosi ha anche un importante ruolo fisiologico sia durante l'embriogenesi sia nella vita adul -- ta e tale ruolo consiste nel rimodellamento dei tessuti.

Nell'esempio riportato si parla di una zampetta di un topo, ma è riportabile anche su un caso umano. Se nel corso dell'embriogenesi alcune cellule (quelle in verde più fluorescente) che formano le membrane interdigitali non andassero incontro ad apoptosi, noi non nasceremmo con le dita così separate. Quindi, in un certo momento dello sviluppo embrionale, ci sarà l'apoptosi di queste cellule per rimodellare l'anatomia finale di un determinato distretto.

(A) (B) 1 mm Figure 18-2 Molecular Biology of the Cell 6e (@ Garland Science 2015)

Con un meccanismo simile, sia a livello embrionale sia post-nascita, avviene il rimodellamento del sistema nervoso. Durante l'embriogenesi c'è una fase in cui si ha tanta proliferazione dei neuroni (neurogenesi), così come nei primi tre anni di vita, soprattutto in alcune aree come quella ippocampale. Quando però poi si deve andare a formare la connettività sinaptica, è importante cheun certo numero di neuroni siano rimossi. Quindi, durante la vita embrionale vengono originati più neuroni di quelli che ci servono; dopo, però, soltanto quelli che andranno a connettersi con altri neuroni o con cellule muscolari saranno quelli che sopravvivranno, mentre altri moriranno per apoptosi.

Questo rimodellamento dei tessuti lo dove considerare anche come un processo di controllo di qualità che è fondamentale tanto durante lo sviluppo quanto nella vita adulta. Questo controllo di qualità interessa strettamente anche il sistema immunitario (adattamento del sistema immunitario). In particolare, i linfociti B e T devono imparare contro chi reagire (cioè contro il potenziale patogeno, quindi contro il non-self) e, se reagissero in maniera sbagliata contro strutture proprie dell'organismo stesso (self), scatenerebbero una reazione autoimmune e infiammatoria.

L'apoptosi viene avviata anche quando la risposta ossidativa delle nostre cellule non riesce ad essere efficiente (stress ossidativo), cioè quando i sistemi enzimatici di difesa antiossidante non riescono a tenere bassi (nella giusta concentrazione) i livelli di ROS (specie reattive dell'ossigeno). Alla patogenesi di molti disordini neurologici e malattie neurodegenerative c'è sicuramente un contributo dello stress ossidativo e della neuroinfiammazione ad esso associata.

Se i processi di apoptosi sono ben controllati non solo durante lo sviluppo embrionale ma anche nella vita adulta, servono proprio per fare un controllo di qualità che consente di non avere cellule danneggiate in grado di trasmettere il danno alle cellule figlie, perpetuandolo.

Quindi, l'apoptosi è un processo che è importante per la regolazione dell'omeostasi del nostro organismo.

MECCANISMI MOLECOLARI

Il processo dell'apoptosi è estremamente complesso, ma noi fondamentalmente dobbiamo imparare quali sono gli attori molecolari responsabili dell'autodistruzione della cellula durante l'apoptosi.

Ora, quindi, andiamo a vedere un po' più nel dettaglio che cosa succede a questa cellula che sta andando incontro a morte.

Il processo dell'apoptosi dev'essere altamente regolato: ci sono tanti livelli di regolazione.

Partiamo prima dal basso. Come si genera questa autodistruzione/implosione? Chi sono gli attori che mandano avanti questo processo? Sono delle proteine che si chiamano caspasi, che non sono altro che delle proteasi.

Le classifichiamo in: (1) caspasi iniziatrici, che avviano/inducono il processo di apoptosi, come un generale che dà il comando; (2) caspasi effettrici/esecutrici, che mettono in atto il processo apoptotico, come i soldati che vanno in battaglia.

Tutte queste caspasi vengono sintetizzate costitutivamente dalle nostre cellule, però in forma inattiva. Quindi, un modo per regolarne l'azione è quello di produrle in forma non attiva: tutte le caspasi vengono prodotte come pro-caspasi. Ogni volta che trovate il prefisso "pro-" vuol dire che quella molecola per funzionare necessita prima di essere attivata.

Vengono chiamate "caspasi" perché hanno nel sito catalitico un residuo di cisteina, che è quello cruciale per tagliare tutti i tipi di proteine in maniera indiscriminata, basta che abbiano un residuo di aspartato. Quindi, il nome è composto da C, che sta per "cisteina" + ASP, che sta per aspartato + "- asi", il suffisso che viene attribuito a tutti gli enzimi che tagliano (azione idrolitica).

H CASPASI INIZIATRICI 98 CASPASI EFFETRCI PROCASPASI apoptotic signal initiator caspase (caspases 8,9) adaptor- binding domain adaptor proteins large subunit cleavage sites protease domain DIMERIZATION, ACTIVATION AND CLEAVAGE small subunit inactive monomers active caspase ACTIVATION BY CLEAVAGE active caspase executioner caspase (caspases 3,6,7) CLEAVAGE OF MULTIPLE SUBSTRATES APOPTOSIS Le caspasi, prodotte come pro-caspasi, sono presenti come dei monomeri inattivi e, per potersi attivare, hanno bisogno di dimerizzare. Una volta che si forma il dimero, questo va a degradare proteoliticamente in maniera trasversale il monomero di un'altra caspasi, che andrà a dimerizzarsi a sua volta. Quindi, i dimeri di caspasi iniziatrici vanno a loro volta ad attivare le caspasi effettrici, che sono quelle che poi andranno a distruggere tutte le componenti proteiche della cellula e avviare realmente corso di apoptosi.

È proprio la dimerizzazione che permette il vicendevole taglio proteolitico delle caspasi.

Le caspasi iniziatrici sono due vengono attivate in maniera differente: la caspasi 8 e la caspasi 9. La prima è la caspasi iniziatrice della via intrinseca estrinseca, mentre la seconda è la caspasi iniziatrice della via intrinseca.

Quindi, i meccanismi molecolari che inducono l'apoptosi sono riconducibili a due vie: la via intrinseca e la via estrinseca. Entrambe le vie convertono/confluiscono nell'attivazione della caspasi 3, che va ad attivare le caspasi esecutrici.

Nella via estrinseca, il segnale che induce l'apoptosi è sempre uno stimolo extracellulare ed è rappresentato da fattori solubili presenti nell'ambiente extracellulare. Tali fattori vengono recepiti/ captati da un recettore (recettore di morte) presente sulla superficie cellulare che, in seguito al legame, dà avvio ad una vera e propria cascata di segnalazione.

Di cascate di segnalazione ne abbiamo viste già due nel corso delle precedenti lezioni: quella che regola la proliferazione e quella che regola la sopravvivenza cellulare. In questo caso, è una cascata di segnalazione che induce la morte cellulare.

I fattori solubili che inducono l'apoptosi secondo la via estrinseca sono per esempio il TNF (Tumor Necrosis Factor, il cui nome indica che ci può essere evidentemente un collegamento tra i processi di necrosi e apoptosi) e il FAS-L (ligando di FAS). Sono quindi molecole esterne alla cellula che vanno poi ad indurre la morte della cellula stessa attraverso una cascata di reazioni che sono completamente indipendenti dai mitocondri.

Adesso vediamo la via estrinseca, facendo proprio l'esempio della via estrinseca mediata da FAS. In immunologia vedremo che ci sono alcuni linfociti, indicati con il nome di cellule natural killer